[发明专利]石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构及方法

说明书

本发明公开一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构氮化镓基HEMT器件倒装封装结构及方法，该封装结构自下而上依次包括基板、形成于基板上的绝缘介质层、形成于绝缘介质层上的散热层、制备在散热层上的源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘，散热层为石墨烯散热层或碳纳米管散热层；还包括氮化镓基HEMT器件，氮化镓基HEMT器件包括外延层结构和制备在外延层结构上的源电极、漏电极和栅电极；源电极、漏电极和栅电极分别与源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘电连接。本发明利用石墨烯或碳纳米管作为散热层材料，结合倒装封装结构，改善了芯片与散热器的接触，提高热传导面积，大幅降低器件热阻，提升了器件的散热性能和长期工作可靠性。

技术领域

本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构氮化镓基HEMT器件倒装封装结构及方法。

背景技术

氮化镓材料具有良好的热学性能、电学性能和化学稳定性，其禁带宽度大，击穿电场高，热导率高，耐腐蚀性和抗辐射性强，是制备高频、高温、高压、大功率器件的理想材料。铝镓氮/氮化镓异质结存在极强的压电极化和自发极化效应，在异质结界面形成高浓度的二维电子气(2DEG)，基于铝镓氮/氮化镓异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在功率和射频器件方面具有广泛的应用前景。

然而，随着氮化镓功率器件功率密度的提升，电子器件在高频大功率领域应用中集成化和小型化，使得单位容积电子器件的总功率密度大幅度提高，功耗大部分转化为热能，器件的自热效应明显，器件的自热效应将导致沟道温度升高，严重影响了器件电学和热学性能的进一步提升，并且降低了器件的可靠性，进而制约了器件应用的广泛开展。例如，对于氮化镓功率器件，其结温每升高10℃，器件的寿命将降低10000小时。

发明内容

本发明主要目的在于，提供一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构氮化镓基HEMT器件倒装封装结构及方法，以降低氮化镓器件热阻，提升器件散热性能。本发明是通过如下技术方案实现的：

一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构氮化镓基HEMT器件倒装封装结构，所述倒装封装结构自下而上依次包括基板、形成于所述基板上的绝缘介质层、形成于所述绝缘介质层上的散热层、制备在所述散热层上的源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘，所述散热层为石墨烯散热层或碳纳米管散热层；

所述倒装封装结构还包括氮化镓基HEMT器件，所述氮化镓基HEMT器件包括外延层结构和制备在所述外延层结构上的源电极、漏电极和栅电极；

所述源电极、漏电极和栅电极分别与所述源电极焊盘、漏电极焊盘和栅电极焊盘电连接。

进一步地，所述外延层结构包括衬底、形成于所述衬底上的氮化镓高阻缓冲层、形成于所述氮化镓高阻缓冲层上的氮化镓高电子迁移率层、形成于所述氮化镓高电子迁移率层上的铝镓氮势垒层，以及形成于所述铝镓氮势垒层上的钝化层；所述源电极、漏电极和栅电极制备在所述铝镓氮势垒层上。

进一步地，所述衬底为碳化硅，蓝宝石或者硅。

进一步地，所述石墨烯散热层为图形化的石墨烯散热层。

进一步地，所述基板为氮化铝或三氧化二铝。

进一步地，所述绝缘介质层为氮化硼。

进一步地，所述电连接为通过焊球焊接。

进一步地，所述源电极为Ti/Al/Ni/Au金属，所述漏电极为Ti/Al/Ni/Au金属，所述栅电极为Ni/Au金属。

一种如上所述的任意一种石墨烯实现GaN基HEMT高效散热的倒装结构氮化镓基HEMT器件倒装封装结构的制备方法，包括如下步骤：

制备氮化镓基HEMT器件，所述氮化镓基HEMT器件包括外延层结构和制备在所述外延层结构上的源电极、漏电极和栅电极；